Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Компьютеризация в животноводстве

.pdf
Скачиваний:
194
Добавлен:
30.05.2014
Размер:
737.79 Кб
Скачать

жанию отдельных групп кормов в рационе; L4 множест- во, включающее номера ограничений по удельному весу отдельных кормов внутри групп.

Записываем экономико-математическую модель оп-

тимизации рациона кормления симментальских коров в развёрнутом виде. С этой целью определим перечень пе- ременных, т.е. количество кормов, которое может войти в рацион. Обозначим через x1 комбикорм, x2 сено кле- верное, x3 силос вико-овсяный, х4 свекла кормовая, х5 картофель сырой и запишем систему ограничений в раз- вёрнутом виде на основании формул (1.1. – 1.5.).

I. Ограничения по балансу питательных веществ и энергии в рационе:

1)1,08x1 + 0,52x2 + 0,23x3 + 0,12x4 + 0,3x5 ≥ 17,4

2)10,4х1 + 7,23х2 + 2,45х3 + 1,65х4 + 2,82х5 ≥ 209

3)116х1 + 78 х2 + 24 х3 + 9х4 + 10х5 ≥ 1825

4)7,6х1 + 9,2х2 + 1,9х3 + 0,4х4 + 0,2х5 ≥ 126

5)2,5х1 + 2,2х2 + 0,9х3 + 0,5х4 + 0,5х5 ≥ 90

6) 25х2 + 20х3 + 0,1х4 + 0,2х5 ≥ 785

II) Ограничение по содержанию сухого вещества в рационе:

7) 0,87х1 + 0,83х2 + 0,25х3 + 0,12х4 + 0,22х5 ≤ 20,5

III) Ограничения по содержанию отдельных групп кормов в рационе:

8)концентрированных кормов не менее

1,08х1 ≥ 4,35, (17,4 × 0,25);

9)концентрированных кормов не более

1,08х1 ≤ 5,22, (17,4 × 0,30);

10)грубых кормов не менее

0,52х2 ≥ 3,40, (17,4 × 0,20);

11)грубых кормов не более

0,52х2 ≤ 6,09, (17,4 × 0,35);

12)сочных кормов не менее

0,23х3 ≥ 6,09, (17,4 × 0,35);

11

13)сочных кормов не более

0,23х3 ≤ 8,7, (17,4 × 0,5);

14)корнеклубнеплодов не менее

0,12х4 + 0,3х5 ≥ 1,74, (17,4 × 0,1);

15) корнеклубнеплодов не более

0,12х4 + 0,3х5 ≤ 2,61, (17,4 × 0,15);

IV. Ограничение по удельному весу картофеля в

группе корнеклубнеплодов

16) 0,3х5 ≤ 0,2 (0,12х4 + 0,3х5), или после преобразо-

ваний 0,3х5 ≤ 0,024х4 + 0,06х5; 0,024х4 ≤ -0,3х5 + 0,06х5; - 0,024х4 + 0,24х5 ≤ 0.

Целевая функция минимальная стоимость рациона:

Z = 5,2х1 + 0,6х2 + 0,3х3 + 1,1х4 + 1,0х5 → min

Развёрнутая модель задачи записывается в виде мат- рицы (табл. 1.2.).

Решение задачи симплексным методом с использованием искусственного базиса (М – метод)

Задачу оптимизации рациона кормления (пример 1.1.) можно решить на ЭВМ симплексным методом.

Алгоритм симплексного метода разберём на упро- щённом варианте данной задачи. В хозяйстве имеются корма: комбикорм, сено клеверное, силос вико-овсяный и свекла кормовая.

Требуется составить суточный рацион для коров со средней живой массой 600 кг для получения от них в сутки 24 кг молока, жирностью 3,9 – 4,0%. Для получения такой продуктивности коровам необходимо дать в сутки не ме- нее 17,4 кг кормовых единиц, и 1825 г переваримого про- теина. Сухого вещества в рационе должно быть не более 20,5 кг. В условиях данного хозяйства расход концентра- тов не может превышать 5 кг в день, сена 10 кг, силоса 35 кг и кормовой свеклы 22 кг. Содержание питательных ве- ществ и сухого вещества в 1 кг корма и стоимость кормов

12

 

1.2. Матрица экономико-математической задачи

 

оптимизации суточного рациона кормления коров

 

Переменные

Единицы измере- ния

Комбикорм, кг

Сено клеверное, кг

Силос вико- овсяный, кг

Свекла кормо- вая, кг

Картофель сы- рой, кг

Знакограничений

Объём ограниче- ний

 

Ограничения

 

 

х1

х2

х3

х4

х5

 

 

1.

Кормовые единицы

кг

1,08

0,52

0,23

0,12

0,3

17,4

2.

Обменная энергия

МДж 10,4

7,23

2,45

1,65

2,82

209

3.

Переваримый про-

г

116

78

24

9

10

1825

теин

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Кальций

г

7,6

9,2

1,9

0,4

0,2

126

5.

Фосфор

г

2,5

2,2

0,9

0,5

0,5

90

6.

Каротин

мг

 

25

20

0,1

0,2

785

7.

Сухое вещество

кг

0,87

0,83

0,25

0,12

0,22

20,5

8.

Концентраты, не

кг

1,08

 

 

 

 

4,35

менее

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

9.

Концентраты, не

кг

1,08

 

 

 

 

5,22

более

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

10. Грубые корма, не

кг

 

0,52

 

 

 

3,40

менее

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Грубые корма, не

кг

 

0,52

 

 

 

6,09

более

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Сочные корма, не

кг

 

 

0,23

 

 

6,09

менее

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Сочные корма, не

кг

 

 

0,23

 

 

8,70

более

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14. Корнеклубнепло-

кг

 

 

 

0,12

0,3

1,74

ды, не менее

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15. Корнеклубнепло-

кг

 

 

 

0,12

0,3

2,61

ды, не более

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16. Картофель в

кг

 

 

 

-0,024

0,24

0

группе корнеклубн.

к.ед.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z - минимальная

руб.

5,2

0,6

0,3

1,1

1,0

min

стоимость рациона

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

приведены в таблице 1.1.

Решение. Обозначим через х1 количество концен- тратов, через х2 сена, х3 силоса и х4 кормовой свеклы, которые войдут в суточный рацион коров.

Запишем условия задачи в виде системы ограниче-

ний.

1)1,08х1 + 0,52х2 + 0,23х3 + 0,12х4 ≥ 17,4

2)116х1 + 78х2 + 24х3 + 9х4 = 1825

3)0,87х1 + 0,83х2 + 0,25х3 + 0,12х4 ≤ 20,5

4)

х1

 

≤ 5

5)

х2

 

≤ 10

6)

 

х3

≤ 35

7)

 

 

х4 ≤ 22

Все неизвестные должны быть неотрицательными:

х1 ≥ 0; х2 ≥ 0; х3 ≥ 0; х4 ≥ 0.

Целевая функция: Z=5,2х1 + 0,6х2 + 0,3х3 + 1,1х4→ min.

Преобразуем неравенства в равенства путём введения дополнительных неизвестных х5 … х10, т.е. приведём зада- чу к каноническому виду:

1)1,08х1 + 0,52х2 + 0,23х3 + 0,12х4 – х5 = 17,4

2)116 х1 + 78х2 + 24х3 + 9х4 = 1825

3)0,87х1 + 0,83х2 + 0,25х3 + 0,12х4 + х6 = 20,5

4)

х1

 

+ х7 = 5

5)

х2

 

+ х8 = 10

6)

 

х3

+ х9 = 35

7)

 

 

х4 + х10 = 22

Zmin = 5,2х1 + 0,6х2 + 0,3х3 + 1,1х4 – 0x5 + 0x6 + 0x7 + 0x8 +0x9 + 0x10.

Данная система не имеет естественного базиса для решения задачи, так как х5 имеет отрицательный коэффи- циент и не может служить в качестве базисной неизвест- ной вследствие условия неотрицательности. Ограничение по количеству переваримого протеина заданное ограниче- нием типа ( = ) , также не имеет естественного базиса.

14

Для получения исходного базисного решения в пер- вые два уравнения необходимо ввести искусственные не- известные Y1 и Y2 c положительным единичным коэффици- ентом, т.е. вводится некоторая вспомогательная функция F= (Y1 + Y2), которая должна стремиться к нулю. В целе-

вую функцию искусственные неизвестные вводятся с очень большой оценкой М. При решении задач на мини- мум эта оценка вводится с положительным знаком:

1)1,08х1 + 0,52х2 + 0,23х3 + 0,12х4 – х5 + y1 = 17,4

2)116х1 + 78х2 + 24х3 + 9х4 + y2 = 1825

3)0,87х1 + 0,83х2 + 0,25х3 + 0,12х4 + х6 = 20,5

4)

х1

 

+ х7

= 5

5)

х2

 

+ х8 = 10

6)

 

х3

+ х9

= 35

7)

 

 

х4 + х10 = 22

Zmin = 5,2х1 + 0,6х2 + 0,3х3 + 1,1х4 – 0x5 + 0x6 + 0x7 + 0x8 +0x9 + 0x10 + My1 + My2.

Разрешим уравнения системы относительно неиз-

вестных y1, y2, x6, x7, x8, x9, x10:

y1 = 17,4 – (1,08х1 + 0,52х2 + 0,23х3 + 0,12х4 – х5) y2 = 1825 – (116х1 + 78х2 + 24х3 + 9х4)

x6 = 20,5 – (0,87х1 + 0,83х2 + 0,25х3 + 0,12х4) x7 = 5 – x1

x8 = 10 – x2 x9 = 35 – x3 x10 = 22 –x4

Z = 0 – (-5,2х1 - 0,6х2 - 0,3х3 - 1,1х4) + 0x5 + 0x6 + 0x7 + 0x8 +0x9 + 0x10 → min

F = 1842,4M – (117,08x1 + 78,52x2 + 24,23x3 + 9,12x4

x5 + 0x6 + 0x7 + 0x8 +0x9 + 0x10)M;

Находим базисное решение задачи. Для этого прини-

маем х1 …х4 = 0, тогда y1 = 17,4; y2 = 1825; x6 = 20,5; x7 = 5; x8 = 10; x9 = 35; x10 = 22. В результате получим неотри-

цательное решение, т.е. исходный опорный план.

15

Далее составим первую симплексную таблицу (табл. 1.3.), в которой по строкам, где ограничения заданы нера- венствами ( ) и равенствами ( = ) в базис введём искусст- венные неизвестные y1 и y2, а по строкам с ограничениями типа ( ) - дополнительные неизвестные x6; x7; x8; x9; x10. В данной задаче базис получается смешанным.

При решении задач на минимум в симплексных таб- лицах индексная строка для удобства вычисления записы- вается в две строки m+1 и m+2. В строке m+1 записыва- ются денежные оценки, а в строке m+2 – M оценки. При решении задач на минимум в строку m+1 денежные оцен- ки заносятся с отрицательным знаком.

1. Проверка опорного плана (симплексная таблица 1) на оптимальность показывает, что план не оптимален. В строке m+2 имеются четыре положительных числа (117,08; 78,52; 24,23 и 9,12). При решении задач на минимум план считается оптимальным, если в строке m+1, (Z) отсутст- вуют положительные оценки.

2. Находим разрешающий столбец по максимальной положительной оценке в строке m+2. Разрешающий стол- бец x1, так как в индексной строке имеется наибольшая по- ложительная оценка (117,08). Неизвестная х1, которой обо- значен разрешающий, столбец вводится в базис.

3. Чтобы узнать какую неизвестную следует вывести из базиса, надо все элементы столбца свободных членов (bi) почленно разделить на положительные элементы раз- решающего столбца. Результат записывается в столбце bi ⁄ aij.

17,4 : 1,08 = 16,1111

1825 : 116 = 15,73

20,5 : 0,87 = 23,56

5 : 1 = 5

16

1.3 Симплексная таблица 1

 

i

 

Базис

 

сi

 

cj

5,2

 

0,6

 

0,3

1,1

0

 

0

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

bi

 

 

 

 

bi

 

x1

 

 

x2

 

x3

 

x4

 

x5

 

x6

 

 

x7

 

x8

 

x9

 

 

x10

 

 

aij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

y1

 

M

17,4

1,08

 

0,52

 

0,23

0,12

-1

 

0

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

16,111

2

 

y2

 

M

1825

116

 

78

 

24

9

0

 

0

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

15,73

3

 

x6

0

20,5

0,87

 

0,83

 

0,25

0,12

0

 

1

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

23,56

 

4

 

x7

 

0

 

5

 

1

 

 

0

 

 

0

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

1

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

5,0

5

 

x8

0

10

0

 

1

 

0

0

0

 

0

 

 

0

 

1

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

6

 

x9

0

35

0

 

0

 

1

0

0

 

0

 

 

0

 

0

 

 

1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

7

 

x10

0

22

0

 

0

 

0

1

0

 

0

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

m+1

 

Z

 

 

0

-5,2

 

-0,6

 

-0,3

-1,1

0

 

0

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

m+2

 

F

 

M

1842,4

 

117,08

 

78,52

 

24,83

9,12

-1

 

0

 

 

0

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4. Симплексная таблица 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

Базис

 

сi

 

cj

5,2

 

0,6

 

0,3

1,1

0

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

bi

 

 

 

 

bi

 

x1

 

x2

 

 

x3

 

x4

 

x5

 

 

x6

 

 

 

x7

 

 

x8

 

 

x9

 

 

x10

 

aij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

y1

 

M

12

0

 

0,52

 

0,23

0,12

-1

 

0

 

 

-1,08

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

23,077

2

 

y2

 

M

1245

0

 

78

 

24

9

0

 

0

 

 

-116

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

15,96

3

 

x6

0

16,15

0

 

0,83

 

0,25

0,12

0

 

-1

 

 

-0,87

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

19,46

4

 

x1

5,2

5

1

 

0

 

0

0

0

 

0

 

 

1

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

5

 

x8

0

10

0

 

1

 

0

0

0

 

0

 

 

0

 

 

1

 

 

0

 

 

0

 

10,0

6

 

x9

0

35

0

 

0

 

1

0

0

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

1

 

 

0

 

 

7

 

x10

0

22

0

 

0

 

0

1

0

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

1

 

 

 

m+1

 

Z

 

 

26

0

 

-0,6

 

-0,3

-1,1

0

 

0

 

 

5,2

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

 

m+2

 

F

 

M

1257

0

 

78,52

 

24,23

9,12

-1

 

0

 

 

-117,08

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

Неизвестная 7), находящаяся в строке с наимень- шим частным, выводится из базиса. Такая строка называ- ется разрешающей1. Разрешающий столбец и разрешаю-

щая строка в симплексных таблицах выделяются тоном или обозначаются стрелкой. На пересечении разрешающей

строки и разрешающего столбца находится разрешающий элемент (ключевой, главный).

Решение задачи осуществляется путём замены базис- ных неизвестных. Переход от одной симплексной таблицы к другой называется шагом или интерацией. На каждом

шаге одна неизвестная вводится в базис и одна выводится из базиса. Поэтому во второй симплексной таблице, в столбце (базис), на месте дополнительной неизвестной 7) будет 1) с оценкой 5,2; остальные базисные неизвестные не меняются. Все коэффициенты второй симплексной таб- лицы рассчитываются на основании первой, т.е. любая по- следующая таблица рассчитывается на основе предыду- щей.

4. Расчёт и заполнение новой таблицы всегда начина- ется со строки, которая в предыдущей таблице была раз- решающей. В данном примере (симплексная таблица 1) это строка №4. Коэффициенты этой строки определяются пу-

тём деления каждого элемента разрешающей строки на разрешающий элемент:

5 : 1 = 5; 1 : 1 = 1; 0 : 1 = 0 и т.д.

Далее заполняется столбец новой таблицы, который в предыдущей таблице был разрешающим. Здесь на месте разрешающего элемента будет 1 (единица), а все осталь- ные элементы равны нулю. Все остальные элементы новой таблицы рассчитываются по правилу прямоугольника:

1 В литературе встречаются и другие наименования разрешающего столбца и разрешающей строки (направляющий, направляющая, глав- ная, ключевая).

18

Новое значение

 

 

элемента нахо-

=

Старое

дящегося в i –

значение

строке и j –

 

элемента

столбце

 

 

 

 

 

 

Элемент матри-

 

Элемент матри-

 

 

 

цы находящийся

×

цы находящийся

 

 

 

на пересечении j

на пересечении i –

 

 

 

– столбца и раз-

 

строки и разреш.

 

 

 

реш. строки

 

столбца

 

 

 

_____________________________

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разрешающий элемент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитаем элементы столбца bi в симплексной таб- лице 2. Например, вместо коэффициента 17,4 (симплексная таблица 1) в новой таблице будет:

17,4 − 5×1,08 = 12; вместо 1825 получим

1

1825 − 5×116 = 1245; и т.д. 1

20,5 − 5× 0,87 =16,25;

1

10 − 1 0 = 10;

35 − 1 0 = 35;

22 − 10 = 22;

0 − 5×(−5,2) = 26;

1

1842,4 − 5×117,08 =1257;

1

Аналогично вычисляются элементы всех других столбцов. Если в предыдущей симплексной таблице в раз- решающей строке в каком либо столбце стоит нуль, то данный столбец в последующей таблице остаётся без из-

19

менений. Если в разрешающем столбце в какой-либо стро- ке стоит нуль, то эта строка не изменяется.

Например: в столбце х3 в разрешающей строке (i=4) симплексной таблицы №1 стоит нуль, то данный столбец в симплексной таблице 2 не изменяется и т.д.

Контроль правильности вычислений осуществляется по коэффициентам индексной строки (m+1 и m+2). Значе- ния коэффициентов строки (m+1), вычисленные по прави-

i

лу прямоугольника и по формуле: Z j = åci × aij cj , т.е.

I

элементы строки (m+1) по всем столбцам равны сумме произведений столбца ci на коэффициенты j столбца матрицы минус cj., где cj оценка j столбца.

Например: в симплексной таблице 2 в столбце bi (строка m+1) значение Z0, вычисленное по правилу прямо- угольника, равно 26. Вычисление по формуле: Z0 = 16,15

× 0 + 5,2 × 5 + 10 × 0 + 35 × 0 + 22 × 0 – 0 = 26, т.е. ре-

зультаты вычислений совпадают, следовательно элементы столбца bi симплексной таблицы, рассчитаны правильно. Аналогично вычисляются коэффициенты строки (m+1) по всем другим столбцам.

Z2 = 0,83 × 0 + 5,2 × 0 + 1 × 0 + 0 × 0 + 0 × 0 + 0 × 0

– 0,6 = -0,6 и т.д.

Коэффициенты строки m+2, вычисленные по правилу прямоугольника и по формуле оценок также совпадают.

F0 = M × 12 + M × 1245 = 1257 M;

F2 = M × 0,52 + M × 78 = 78,52 M; и т.д.

Проверка симплексной таблицы 2 на оптимальность показывает, что план не оптимален. В строке (m+2) име- ются положительные коэффициенты.

Разрешающий столбец в данной таблице x2, разре- шающая строка x8, разрешающий элемент 1.

20